MODUŁ 04

Urządzenia sieciowe: hub, switch, router, AP

PPrezentacja dla nauczyciela

Hub, switch, router, punkt dostępowy i zapora — każde z nich ma jedną zasadniczą różnicę: na której warstwie modelu OSI pracuje i po czym rozpoznaje sąsiada. Poznanie tej różnicy rozwiązuje połowę pytań na egzaminie pisemnym.

Legenda symboli

Konwencja ikon topologii Cisco (rysunek własny, uproszczony): prostokąt ze skrzyżowanymi strzałkami to switch, okrąg ze strzałkami router, okrąg z czterema punktami hub, prostokąt z falami punkt dostępowy, prostokąt w cegiełkę zapora.

Urządzenie rozpoznaje sąsiada po adresie z jego warstwy

Hub — wspólne medium

Jak działa: to wzmacniacz — sygnał z jednego portu powtarza na wszystkich pozostałych. Nie ma w nim żadnej inteligencji, żadnej tabeli adresów. Każda stacja słucha, kto nadaje, a jeśli dwie zaczną naraz, powstaje kolizja (stąd nazwa Ethernet).

Dziś: wyparty całkowicie przez switch. Cenią go tylko w sieciach audio/video przesyłanych sygnałem analogowym (nagłośnienie PA) oraz w zabawkowych projektach, gdzie celowo chcesz wspólną domenę kolizji.

Switch — każdy port osobno

Jak działa: uczy się adresów MAC z ramek, które przechodzą przez porty, i buduje tablicę MAC (tablicę CAM). Potem wysyła ramkę tylko na port, za którym znalazł ten adres.

Jeśli adresu jeszcze nie zna, rozsyła ramkę na wszystkie porty poza tym, z którego przyszła (broadcast i „flooding”) — tak odkrywa sąsiada.

Dwie domeny, które trzeba rozróżniać: domena kolizji to port (switch eliminuje kolizje przez pełny duplex), a domena rozgłoszeniowa obejmuje cały VLAN — ramka rozgłoszeniowa z portu nie wyjdzie poza własny VLAN. To wyjaśnia, dlaczego router „ucina” broadcast: każdy jego interfejs jest osobną domeną rozgłoszeniową.

Rodzaje: niezarządzany — działa i tyle, cena najniższa; zarządzany — pozwala ustawić VLAN-y, trunk, agregację i monitoring (portów, ruchu, błędów), ma adres zarządzania i web UI; warstwy 3 — dodatkowo routuje między VLAN-ami w sobie, bez osobnego routera.

Router — łączy różne sieci

Jak działa: decyduje, do którego interfejsu (portu) wysłać pakiet, patrząc na adres docelowy i tablicę tras. Zmniejsza TTL o jeden przy każdym przekazaniu.

Każdy interfejs routera jest osobną siecią, więc router nie przepuszcza rozgłoszeń między nimi — dlatego „broadcast nie wychodzi z routera”.

Często mylone z NAT-em i zaporą: NAT to podmiana adresów przy wyjściu do internetu, zapora to filtrowanie ruchu, a router to samo urządzenie fizyczne, które obie te funkcje zwykle pełni razem z DHCP i punktem dostępowym. Router nie jest „zaporą z definicji” — ma domyślnie otwarty ruch powrotny, a zaporę włączasz się jako funkcję.

Router domowy — cztery urządzenia w jednej obudowie

W pudełku z napisem „router Wi-Fi” siedzą zwykle cztery funkcje naraz: router, mały switch (3–4 porty LAN), punkt dostępowy i obsługa modemu (DSL, kablowego albo światłowodowego ONT). Dlatego kabel „do routera” z laptopa wchodzi w port LAN, a „do internetu” — w port WAN.

Ten sam adres 192.168.1.1 działa jako brama dla domyślnej, a serwer DHCP przydziela adresy automatycznie.

Punkt dostępowy — bezprzewodowy wchodzący do sieci

Jak działa: punkt dostępowy jest mostem między dwoma technologiami — bezprzewodową (802.11) i kablową (802.3). Klient widzi zwykłą sieć z DHCP i z dostępem do plików, nie musi wiedzieć, że „bezprzewodowo”.

To jest ta sama funkcja co switch, tylko z anteną zamiast portu.

Kilka rzeczy, o których warto pamiętać: punkt dostępowy nie musi mieć internetu ani routera — wystarczy switch w sieci; zasilany bywa po kablu (PoE), więc jeden kabel wystarcza do montażu na suficie; wiele AP w budynku daje kanał „roaming” — przy przechodzeniu między pokojami laptop przełącza się na bliższy punkt (protokół 802.11r), a użytkownik tego nie zauważa. AP z jednym radiem na paśmie 2,4 GHz nie obsłuży tylu klientów co AP dwuzasięgowe — to pierwsza rzecz do sprawdzenia, gdy „Wi-Fi zwalnia”.

Zapora i UTM — filtr ruchu

Jak działa: zapora filtruje ruch na podstawie reguł (stanowy firewall pamięta, które połączenia otworzyły się z wnętrza, i przepuszcza tylko ich odpowiedzi). Strefy porządkują reguły: LAN (ufana), DMZ (serwery wystawione, bez dostępu do wnętrza), WAN (niezaufana).

UTM to zapora z dodatkami: antywirus, filtr treści, IDS/IPS, VPN.

Sprzętowa czy programowa? Zapora sprzętowa stoi osobno; programowa działa w systemie (na przykład nftables w Linuxie) i chroni tylko ten jeden komputer. W małej sieci wystarcza programowa w routerze, w firmie osobne urządzenie.

Szafa rackowa — wszystkie te urządzenia w jednym miejscu

Szafa rackowa to metalowa obudowa o szerokości 19 cali (48,26 cm), w której urządzenia wisi na dwóch pionowych szynach. Wysokość mierzy się w jednostkach U: 1U = 44,45 mm, tyle ile ma jeden slot.

Mała szafka pod biurko ma 6–12U, pełna wieża 42U. Urządzenia z podziału na porty — switch, router, zaporę — wkłada się do szafy właśnie dlatego, że mają szerokość 19 cali; dla reszty sieci wystarczy pudełko na półce.

Uklład od góry jest zawsze taki sam: panel kablowy najwyżej, pod nim przełączniki i router, na końcu zasilacz awaryjny. Kable z pomieszczeń wchodzą od dołu albo z tyłu i kończą się na panelu kablowym; od panelu do urządzeń prowadzą już krótkie patchcordy.

Dzięki temu naprawa jednego stanowiska to przesadzenie jednego kabla, a nie rozplątywanie kabli w całym budynku. Numer portu na patch panelu i numer gniazda na urządzeniu muszą się zgadzać — inaczej „gdzie jest ten kabel” zamienia się w godziny szukania.

Zasilacz awaryjny na dole szafy to UPS: podtrzymuje router i przełącznik, kiedy prąd zniknie, więc sprzęt nie resetuje się w trakcie pracy. Sam UPS trzeba przetestować — akumulator starzeje się ciszej niż głośno i awaria działa wtedy, gdy jest najmniej potrzebna.

Inne urządzenia, które spotkasz w szafie

Patch panel — nie jest urządzeniem aktywnym: to zorganizowane zakończenia kabli w szafie, do których podłącza się patchcordy. Dzięki niemu zmiana jednego stanowiska to przesadzenie jednego kabla, a nie rozplątywanie wszystkich.

Most i wzmacniacz repeater — repeater odtwarza sygnał w kablu (jak hub, ale między dwoma segmentami); most łączy dwa segmenty w jedną sieć logiczną. Konwerter i Media konwerter — przekształca sygnał między miedzią a światłowodem albo między prędkościami. UPS — podtrzymuje zasilanie routera i switcha, żeby sprzęt nie zresetował się przy krótkiej awarii prądu; zawsze z nim warto zaplanować podłączenie i test, bo bez testu awarii działa po podpięciu, a nie wtedy, gdy jest potrzebny. Serwer, NAS i drukarka sieciowa to urządzenia końcowe, nie sieciowe — ale to one najczęściej zgłaszają „coś działa, a internet nie”. Panel kablowy i zasilacz awaryjny widać na zdjęciach szafy powyżej.

Pętle w sieci i protokół STP

Drugą ścieżkę między przełącznikami dodaje się dla niezawodności, ale sama w sobie jest niebezpieczna: ramka rozgłoszeniowa krąży w pętli, mnoży się i w kilka sekund zalewa całą sieć (burza broadcastowa). Rozwiązaniem jest STP (Spanning Tree Protocol): przełączniki wymieniają się komunikatami BPDU i wspólnie wybierają jedno urządzenie główne, a nadmiarowe łącza blokują.

Gdy główne połączenie padnie, zablokowana ścieżka zostaje odblokowana i ruch idzie objazdem.

Protokoły zarządzania i routingu

• SNMP — protokół monitorowania urządzeń sieciowych: pozwala odczytać stan przełącznika, routera czy serwera i wysyłać powiadomienia o awariach.
• RIP — prosty protokół routingu dynamicznego; wybiera trasę po liczbie przeskoków (maksymalnie 15), nadaje się tylko do małych sieci.
• BGP — protokół routingu używany między operatorami i autonomicznymi systemami w internecie; opiera się na politykach, a nie na najkrótszej drodze.

Dla porządku: OSPF to najczęstszy protokół routingu wewnątrz sieci firmowej, a ICMP odpowiada za komunikaty diagnostyczne, których używa ping.

Warstwy w skrócie: L1, L2, L3

W dokumentacji i na egzaminie warstwy modelu OSI zapisuje się często krótko — literą L i numerem. Warto znać te skróty, bo pojawiają się w pytaniach i opisach sprzętu:

• L1 — warstwa fizyczna: kable, złącza, koncentrator (hub), wzmacniaki;
• L2 — warstwa łącza danych: adresy MAC, ramki, mosty i przełączniki;
• L3 — warstwa sieciowa: adresy IP, pakiety, routery.

Dlatego o przełączniku mówimy „urządzenie L2”, a o routerze — „urządzenie L3”.

Jak przełącznik uczy się, gdzie jest kto — tablica CAM

Przełącznik podejmuje decyzje w warstwie łącza danych, więc patrzy na adresy MAC, a nie na adresy IP. Miejsca na te adresy nie da się przeszukiwać po kolei — musi on być wyszukiwany w jednym kroku, sprzętowo.

Dlatego przełącznik trzyma je w pamięci adresowalnej zawartością, czyli tablicy CAM (Content-Addressable Memory), w której każdemu adresowi MAC przyporządkowany jest port. Potocznie nazywa się ją tablicą adresów MAC albo tablicą przekazywania.

Przełącznik wypełnia ją sam, ucząc się z ruchu:

Numery norm IEEE 802 — co oznacza który

Standardy sieci lokalnych opracowuje IEEE i numeruje w rodzinie 802. Na egzaminie warto rozpoznawać przynajmniej te numery:

Bibliografia zdjęć

Zdjęcia pochodzą z Wikimedia Commons i mają licencje wolne (Creative Commons lub domena publiczna). Schematy w module są rysunkiem własnym.

Poniżej pełna lista plików, z których pochodzą zdjęcia na tej stronie — ta sama kolejność, co przy opisach.

1. Szafa rackowa z urządzeniami — Simeon W (Wellington, Nowa Zelandia), CC BY 2.0: strona pliku. Zdjęcie zostało przeskalowane do 800 px szerokości.
2. Wnętrze szafy — Dsimic, CC BY-SA 4.0: strona pliku.
3. Hub HP EtherTwist Hub/8 — Zac67, CC BY-SA 4.0: strona pliku.
4. Switch NETGEAR ProSAFE XS716T — Sergklim, CC BY-SA 4.0: strona pliku.
5. Router Cisco 2800 — Robert, CC BY 2.0: strona pliku.
6. Modem kablowy z routerem i Wi-Fi (Arris TG2482) — Pancho507, CC BY 4.0: strona pliku.
7. Punkt dostępowy Cisco Aironet 1552H — Ethmostigmus, CC BY-SA 4.0: strona pliku.
8. Zapora Netgear ProSAFE FVS336G — Zuzu, CC BY-SA 3.0: strona pliku.